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2023 年 第 3 期
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基于像差补偿的近红外显微干涉硅通孔测量
摘要：为了实现深宽比大于6∶1的硅通孔的形貌测量，提出了一种基于像差补偿的近红外显微干涉检测方法。该方法采用近红外宽带光作为光源，能够穿透硅通孔，检测系统中内置变形镜自适应像差补偿模块，主动补偿硅通孔引入的调制像差。在检测硅通孔三维形貌时，依据COMSOL Multiphysics有限元仿真软件得到的三维硅通孔高深宽比结构对探测光的调制像差规律，指导设置需变形镜补偿的像差种类和量值，用基于频域的评价函数指标阈值，判定硅通孔底部图像的聚焦状态，获得待测硅通孔清晰的底部图像，本质上提升探测光的重聚焦能力。在此基础上，使用垂直扫描干涉法得到待测硅通孔的深度与其三维形貌分布。实验测量了直径为10 μm、深度为65 μm、深宽比为6.5∶1和直径为10 μm、深度为103 μm、深宽比为10.3∶1的硅通孔深孔，并与高精度SEM的测量结果对比，深度测量的相对误差为1%。与白光显微干涉测量结果对比表明，本文所提出的方法可以获得清晰的高深宽比硅通孔的底部图像，有效增强底部的宽谱干涉信号和对比度，能够准确测量更高深宽比硅通孔的三维形貌。关键词：无损测量;光学显微干涉;自适应像差补偿;COMSOL仿真;硅通孔形貌- 231
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发布时间：2023-02-15 -
水下湿插拔接触式光纤耦合设计与性能分析
摘要：水下连接器是水下观测网的关键零部件，采用油液密封方式实现低损耗连接，但该方式会导致光连接结构复杂、工程研制难度大。为解决此问题，对比陆基光纤网络的连接方式，提出接触式光纤连接器水下原位湿插拔的方案。基于水体吸收特性、朗伯-比尔定律以及液体的表面张力等理论进行原理分析，在光纤端面形成厚度在5 μm以内的水膜且该厚度水膜对1 310，1 550 nm波段的吸收损耗可忽略不计；然后，以1 550 nm波段为例，对光纤在空气、水、硅油的耦合损耗情况进行实验分析，并利用设计的光插针结构进行性能验证。实验数据显示，光纤水下原位湿插拔的平均损耗为0.17 dB，光插针的原位湿插拔平均损耗为0.23 dB。由此表明，接触式光纤耦合设计能够满足水下湿插拔的低损耗连接要求。本文为水下光纤湿插拔连接器领域提供了新思路，提出在确保水体清洁的情况下可直接进行水下原位湿插拔的设计方案，有望打破国外以油液密封方式建立的技术垄断。关键词：水下连接器;湿插拔;水体吸收特性;光纤耦合;性能分析- 173
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发布时间：2023-02-15 -
基于层状PI薄膜FBG传感器的KCl浓度测量
摘要：为了监测核工业冷却管道中冷却剂的浓度，针对目前测量仪器易受环境干扰、介质沉积、难以分布式多点监测等问题，设计了一种基于层状聚酰亚胺（Polyimide， PI）的光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）浓度传感器。结合PI薄膜的吸水特性、水分子扩散原理和FBG传感理论，研究基于层状PI薄膜的FBG浓度传感机理，设计制作了层状PI薄膜FBG浓度传感器。最后，搭建浓度测量实验平台，进行浓度传感实验，得到镀层状PI薄膜的FBG浓度传感器对氯化钾（KCl）溶液的浓度特性曲线，并分析了其灵敏度与滞回特性。实验结果表明：浓度与波长漂移量呈线性变化关系，浓度特性曲线拟合度为0.994 2，正、反行程输出的最大差值为35 pm，传感器的平均灵敏度为157.6 pm/（mol·L-1），是同条件下镀一层环状PI薄膜FBG浓度传感器和腐蚀型FBG浓度传感器灵敏度的7.4倍和49.1倍。该传感器为核工业管道中冷却剂浓度测量提供了新方法，具有高灵敏度、安全、抗电磁干扰等优点。关键词：光纤布拉格光栅;浓度;层状聚酰亚胺;高灵敏度- 180
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发布时间：2023-02-15
现代应用光学
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光束指向装置高分辨率传动机构
摘要：为满足某型光束指向装置高分辨率、空间紧凑和低成本的需求，结合其负载小、转速低的实际应用特点，设计了一种偏置型扭轮摩擦传动机构。该机构的变传动比特性通过改变主动轮与从动轮的扭角实现，为优选扭角设计区间，研究了扭角对机构位移特性的影响。在分析偏置型扭轮摩擦传动机构运动学特性及扭轮接触区受力、变形情况的基础上，建立了偏置型扭轮摩擦传动的刚柔耦合动力学模型，通过物理样机试验和多体动力学仿真分析，开展了扭角对输出角速度稳定性和角位移分辨率的影响。结果表明：扭角越大，机构输出角速度的波动范围也较大，传动越不平稳。设计的传动机构在扭角不大于80°时能实现平稳传动，且在大扭角条件下，机构能实现0.005˚（18″）的低速微步进运动，输出分辨率优于单级圆柱齿轮传动。上述分析为偏置型扭轮摩擦传动机构在光束指向装置传动系统中的应用提供了一种新的思路。关键词：光电跟踪;偏置型扭轮摩擦传动;刚柔耦合动力学模型;扭角;分辨率- 213
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发布时间：2023-02-15 -
基于小波变换的精密测量点云多尺度分解
摘要：为了减小多源跨尺度点云数据尺度与数据量上的差异，提出了一种基于小波变换的点云多尺度分解方法。对细节丰富的小尺度点云数据进行多尺度分解，以及尺度分解在跨尺度点云数据配准中的应用进行研究。首先，对小尺度点云进行栅格建模，建立全局点云二值表达函数。根据离散小波变换理论，对栅格点云进行多次的三维小波分解，利用小波尺度函数的低通特性，保留低频信息来获取原始小尺度点云的近似尺度数据。然后，基于面维数和差体维数差表征与原始数据的相似度，确定有效的小波分解级数。最后，将各级分解得到的点云数据与大尺度点云数据进行精确配准，并将配准关系应用于原始点云，提高跨尺度点云的配准精度。实验结果表明：本文提出的多尺度分解方法能够对数据进行有效分解，应用于某航空发动机叶片多尺度测量中，将显微测量的局部气膜孔小尺度点云数据与整体叶片结构光数据配准，配准精度提升了61.36%。该分解方法应用于叶片边缘与栅格零件多尺度测量中，配准精度分别提升了48.59%，43.86%。所提的点云多尺度分解方法能够有效分解小尺度点云数据，大幅提升跨尺度数据的配准精度。关键词：多尺度分解;小波变换;体维数;面维数;点云配准- 269
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发布时间：2023-02-15 -
基于柔性铰链的大口径望远镜并联调整机构
摘要：为减小地基大口径望远镜在光学追踪过程中重力变形对成像质量的影响，设计了一种基于柔性铰链的高侧向刚度、亚微米精度并联调整机构。首先，介绍了系统组成并针对技术指标的要求，开展了两自由度柔性铰链设计。建立了柔性铰链并联机构的等效运动学模型和刚度模型，搭建了并联机构刚柔耦合运动学仿真系统，分析了柔性铰链对机构精度的影响。最后，搭建实验测试系统，来验证柔性铰链的设计合理性和并联调整平台刚柔耦合运动学分析的准确性。仿真和测试结果表明，柔性铰链转动刚度误差控制在3.54%之内，小位移（微米/角秒量级）运动精度达亚微米量级，大位移（毫米/度）运动精度与仿真结果对比误差控制在微米量级，机构侧向刚度优于60 N/μm，能够满足地基望远镜光学成像的要求。关键词：地基望远镜;并联机构;高侧向刚度;亚微米;刚柔耦合- 275
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发布时间：2023-02-15 -
DC-55 GHz高性能焊球阵列封装用非垂直互连结构
摘要：根据5G信号对通道带宽的要求，通过研究陶瓷基板中“类同轴”互连的微波特性，设计了一种新型非垂直互连结构，通过陶瓷介电层之间金属化通孔的错位设计，改善垂直过孔与水平传输线转弯处的阻抗突变，更有利于高频信号的传输，进一步扩展带宽。分析了错位角度、阶梯级数、焊球半径和焊球间距对传输性能的影响，设计并实现了宽带低损耗互连陶瓷基板。测试结果表明，该结构的最高应用频率可达55 GHz，在DC-55 GHz频带内插入损耗小于1.5 dB，回波损耗大于15 dB，同时利用实测数据进行信号传输验证，结果表明在未引入预加重、均衡的情况下即可满足56 G/112 G NRZ，112 G PAM4高速信号的传输。关键词：无线通信;5G;高速;陶瓷基板;类同轴;预加重- 108
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发布时间：2023-02-15 -
换向激励式压电振动俘能器
摘要：为提高在低频、宽带、高强度及大振幅振动环境下的可靠性，提出一种换向激励式压电振动俘能器，它由拾振器和换能器组成。换能器的振动方向垂直于拾振器振动方向（环境振动方向），振动方向的转换通过磁力换向结构实现，换向结构使响应振幅不随外部激励的增加而一直增加，从而提高可靠性。建立了俘能器的动力学模型，通过数值仿真和实验获得了相关参数对其输出特性的影响。仿真和实验结果表明：激励频率小于20 Hz时，该两自由度系统存在两阶谐振频率使输出电压达到峰值，一阶为拾振器谐振频率，二阶为换能器谐振频率。随着拾振簧片长度和拾振质量的增加，一阶谐振频率升高，所对应的输出电压基本不变；二阶谐振频率基本不变，所对应的输出电压逐渐升高；工作频带变宽。当外部激励振幅达到阈值时，换能器的响应振幅被有效控制，输出电压不再随之增加，最佳负载电阻为540 kΩ，此时输出功率最大为0.4 mW。实际应用中可通过改变俘能器的结构参数调整谐振频率及输出电压，将响应振幅控制在安全区域内，以适应低频、宽带、高强度及大振幅的工作环境。关键词：压电;振动俘能器;低频;换向激励;响应限幅- 100
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发布时间：2023-02-15 -
连铸坯三维测量多线结构光的中心条纹快速提取
摘要：在利用多线结构光系统对大尺度连铸坯进行三维测量的过程中，线结构光中心条纹的提取精度是影响三维测量精度的重要因素。提出了一种对传统灰度质心方法进行优化的多线结构光中心条纹提取方法。对连铸坯表面激光横截面不满足高斯分布的线结构光条纹，利用图像背景差分的方式去除环境噪声，并根据线结构光条纹与背景间的灰度变化信息确定线结构光的边界，同时提取线结构光的感兴趣区域。根据光条在梯度方向上的灰度积分比例计算灰度质心法的自适应灰度阈值，利用灰度质心方法处理感兴趣区域提取出光条中心点，最后结合附近半径为5个像素的邻域内所定位的中心点进行质心重提取，获得连铸坯表面光条的亚像素中心坐标。现场测量结果表明：对反射特性不均匀的连铸坯表面的激光条纹光条中心进行提取，最终连铸坯边缘轨迹点的三维测量结果标准偏差在2 mm以内，该方法具有精度高、速度快、鲁棒性强的特点。关键词：三维测量;多线结构光;质心法;光条中心提取;连铸坯- 289
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发布时间：2023-02-15
微纳技术与精密机械
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基于GM-APD激光雷达数据融合的小目标检测
摘要：GM-APD激光雷达具有单光子探测灵敏度，大幅降低了系统体积和功耗，但受像元数限制，难以获得远距离小目标清晰轮廓，目标检测率不高。针对该问题，提出了基于强度像和距离像多级处理的小目标深度学习检测算法，充分挖掘强度图像和点云特征信息及相互关联性，提高小目标检测概率。通过改进特征金字塔网络，将感受野模块和注意力机制模块与特征提取网络相结合，增强强度像初筛目标准确性，在候选区域内将强度像与距离像融合成带有强度信息的四维点云。然后，使用动态图卷积网络对候选区内目标进行二次检测，利用点云信息进一步筛选候选框内的目标。经GM-APD激光雷达远距离车辆数据集测试，网络的检测准确率达到98.8%，对于车辆结构不完整，车辆回波弱，背景存在强反射光斑等复杂场景有很好的鲁棒性。相较于SSD，YOLOv5等较为先进的目标检测网络，检测准确率分别提升了3.1%与2.5%，该算法为激光雷达弱小目标检测识别提供了一种可行性解决方案。关键词：激光雷达;目标检测;感受野;注意力机制;动态图卷积神经网络- 157
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发布时间：2023-02-15 -
融合注意力机制的金属锅圆柱表面缺陷检测
摘要：为实现高亮反射金属圆柱形锅的自动快速检测及分拣，破解目前金属锅表面缺陷检测速度慢、效率低的技术难题，在YOLOX网络基础上引入双向特征融合网络，提出基于注意力机制的轻量化特征融合网络模型，实现计算模型的轻量化设计；同时，通过注意力机制模块对特征信息进行通道与空间的学习，有效缓解多尺度特征的语义鸿沟问题，提高了模型的检测精度；考虑网络对难易分类样本学习权重分配不平衡，设计基于衰减因子的分类损失函数；利用金属锅圆柱表面缺陷数据集完成了特征融合网络对比实验、分类损失函数对比实验和注意力机制模块位置消融实验。实验结果表明，融合注意力机制模型可有效识别6种不同形态的缺陷，测试集的平均检测精度mAP0.5达到90.92%，检测帧率达到30.84 frame/s，实现了金属锅圆柱表面缺陷的高精度快速识别与定位。关键词：机器视觉;特征金字塔;注意力机制;金属表面缺陷- 166
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发布时间：2023-02-15 -
基于神经网络的混沌虹膜相位掩模计算全息加密图像恢复
摘要：为了拓展对计算全息加密图像的解密方法，针对非法攻击难度大的对称-非对称混合加密系统，提出了一种利用神经网络恢复混沌虹膜相位掩模计算全息加密图像的方案。对明文图像进行加密，生成计算全息的密文图像，制作大量的密文明文图像对作为数据集。通过搭建神经网络不断地训练和测试，训练完成后的神经网络可以拟合出密文图像到明文图像的映射关系，解密时不再使用公钥和私钥对密文图像进行解密。实验结果表明：通过神经网络恢复出的图像与明文图像相比，平均互相关系数为0.984，平均峰值信噪比为61.0 dB，平均结构相似性为0.77；对密文图像进行噪声污染，也可以恢复出较高质量的图像，实现了通过神经网络对密文图像解密的目的，方案是可行的并具有较好的鲁棒性。关键词：计算全息;光学加密;深度学习;生物密码;混沌;残差网络- 122
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发布时间：2023-02-15
信息科学
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